Эдс вырабатываемая генератором зависит котором зависит от
Самоиндукция
ЭДС, вырабатываемая генератором, зависит от частоты вращения рамки в магнитном поле.
В то же время, индукционные токи могут достигать в проводниках значительных величин и вести к нежелательным потерям энергии, ненужному их нагреванию. В случае, когда индукционные токи оказываются вредными, их называют паразитными, или токами Фуко, в честь французского физика Ж.Б. Фуко, впервые обнаружившего их и предложившего способ их уменьшения.
Один из способов уменьшения токов Фуко был уже назван — это увеличение сопротивления проводников различными способами.
В трансформаторах, например, это делается либо путем замены сплошных сердечников наборными, либо изготовлением их из специальных непроводящих электрический ток материалов, но с ярко выраженными ферромагнитными свойствами.
Экспериментальные установки, позволившие зафиксировать явление и установить закон электромагнитной индукции, имели одну общую особенность: в них присутствовала индикаторная цепь, состоящая из проволочной катушки, замкнутой на чувствительный электроизмерительный прибор. Магнитный поток, пронизывающий индикаторную цепь, изменялся различными способами либо с помощью постоянного магнита, либо с помощью электромагнита, находившихся рядом с индикаторной катушкой.
Проведенные опыты можно было бы интерпретировать и таким образом: изменяющийся магнитный поток, созданный посторонним по отношению к контуру (катушке, проводнику) источником магнитного поля, возбуждает в этом контуре ЭДС индукции. Возможность такого вывода отражается даже в самом названии серии опытов с расположенными рядом друг с другом катушками: явление взаимоиндукции.
Но ведь, если взять только один проводящий контур и пропустить по нему изменяющийся электрический ток, этот ток создаст изменяющееся магнитное поле, в котором будет находиться сам контур. Следовательно,поскольку через контур проходит изменяющийся магнитный поток, в контуре должны появляться электродвижущая сила индукции и индукционный ток. Направление индукционного тока может быть определено согласно правилу Ленца.
Поскольку индукционные процессы должны протекать в том же самом контуре, в котором изменяется протекающий по нему электрический ток, явление можно было бы назвать явлением самоиндукции, а возникающую ЭДС электродвижущей силой самоиндукции (esi).
Электрический ток в контуре, прежде всего, будет изменяться при включении и выключении источника тока.Если включается источник постоянного тока, ток будет нарастать от нуля до некоторого максимального значения, определяемого величиной ЭДС источника и сопротивлением цепи. При выключении источника тока, ток будет уменьшаться от своего максимального значения до нуля.
 |
При нарастании тока в цепимагнитный поток, созданный им, будет увеличиваться. Чтобы, согласно правилу Ленца, возникло противодействие нарастающему магнитному потоку, в цепи должен возникнуть индукционный ток, направленный противоположно току, созданному источником, включенным в цепь.
 |
Соответственно, при уменьшении силы тока в цепи магнитный поток, созданный им, будет уменьшаться. Чтобы, согласно правилу Ленца, возникло противодействие уменьшающемуся магнитному потоку, в цепи должен возникнуть индукционный ток, сонаправленный с током, созданным источником, включенным в цепь.
И в том, и в другом случае, магнитный поток, пронизывающий контур, изменяется за счет изменения силы тока, протекающего через него.
Магнитный поток определяется как физическая величина, равная произведению индукции магнитного поля на площадь поперечного сечения контура, пронизываемого магнитным полем и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормали к поверхности контура:
.
Магнитная индукция поля, создаваемого элементарным током, пря мо пропорциональна силе этого тока:
Расчеты и опыты показывают, что прямо пропорциональны силе тока и индукции магнитных полей, создаваемых проводниками самых разных конфигураций.
Отсюда следует, что магнитный поток прямо пропорционален силе тока, протекающего по проводнику и порождающего магнитное поле, которое в свою очередь, создает магнитный поток в области, ограниченной каким-то контуром:
Изменение же магнитного потока будет прямо пропорционально соответствующему изменению силы тока:
(Предполагается, что параметры контура остаются неизменными).
Чтобы перейти к знаку равенства, в правой части приведенных выражений необходимо поставить коэффициент пропорциональности. Обозначим его буквой L и назовем индуктивностью. Тогда выражения запишутся следующим образом:
и 
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Тест по физике Производство, передача и использование электрической энергии 11 класс
Тест по физике Производство, передача и использование электрической энергии 11 класс с ответами. Тест состоит из 2 вариантов. В каждом варианте по 9 заданий.
Вариант 1
A1. Сила тока в цепи изменяется по закону I = 3sin(20t). Чему равна частота электрических колебаний?
1) 3 Гц
2) 20 Гц
3) 20t Гц
4) 10/π Гц
А2. При передаче электроэнергии с напряжением 30 кВ потери энергии в линии равны 5%. Какими будут потери в линии при напряжении 300 кВ с таким же активным сопротивлением проводов?
А3. Работа трансформатора основана на явлении:
1) самоиндукции
2) электромагнитной индукции
3) магнитной индукции
4) нет правильного ответа
1) коэффициент пропорциональности
2) коэффициент трансформации
3) постоянная Больцмана
4) нет правильного ответа
А5. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением U1 = 220 В. Напряжение на зажимах вторичной обмотки U2 = 20 В, ее сопротивление R2 = 1 Ом, сила тока в ней I = 2 А. Найдите коэффициент трансформации.
В1. Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации k = 8 включена в сеть с напряжением U1 = 220 В. Сопротивление вторичной обмотки R2 = 2 Ом, сила тока в ней I2 = 3 А. Определите напряжение на зажимах вторичной обмотки. (Потерями в первичной обмотке пренебречь.)
В2. Во сколько раз уменьшатся тепловые потери в линии электропередачи, если входное напряжение повышающего трансформатора равно 11 кВ, а выходное — 110 кВ?
C1. В пункте А установлен повышающий трансформатор, в пункте В — понижающий. Сопротивление r соединяющей их линии равно 15 Ом. Коэффициент трансформации понижающего трансформатора k = 10, в цепи его вторичной обмотки потребляется мощность Р = 9,5 кВт при силе тока I2 = 80 А. Определите напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора.
Вариант 2
A1. Единицей измерения индуктивности в системе СИ является:
1) В/м
2) Гн
3) Дж/с·Гн
4) Ом/с
А2. При передаче электрической энергии с напряжением 30 кВ потери энергии в линии составляют 5%. Какими будут потери в линии при напряжении 150 кВ с таким же активным сопротивлением проводов?
А3. ЭДС, вырабатываемая генератором, зависит от:
1) периода
2) индукции магнитного поля
3) частоты вращения рамки в магнитном поле
4) нет правильного ответа
А4. Сила тока в первичной обмотке трансформатора I1 = 0,5 А, напряжение на ее концах U1 = 220 В. Сила тока во вторичной обмотке трансформатора I2 = 11 А, напряжение на ее концах U2 = 9,5 В. Найдите КПД трансформатора.
A5. Первичная обмотка трансформатора для питания цепи радиоприемника имеет N1 = 12 000 витков и включена в сеть переменного тока с напряжением U1 = 120 В. Какое число витков должна иметь вторичная обмотка, если ее сопротивление R2 = 0,5 Ом? (Напряжение в цепи радиоприемника U2 = 3,5 В при силе тока I = 1 А.)
1) 100
2) 200
3) 400
4) 800
B1. Сила тока и напряжение в первичной обмотке трансформатора I1 = 10 А и U1 = 110 В, напряжение во вторичной обмотке U2 = 11 000 В. Чему равна сила тока во вторичной обмотке трансформатора?
В2. Сила тока в первичной обмотке трансформатора I1 = 15 000 А, а напряжение на ее зажимах U1 = 11 000 В. Во вторичной обмотке трансформатора сила тока I2 = 1500 А. Определите напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора, если его КПД равен 96%.
C1. Сила тока холостого хода в первичной обмотке трансформатора, питаемой от сети переменного тока с частотой ν = 50 Гц и напряжением U = 220 В, равна I = 0,2 А. Электрическое сопротивление первичной обмотки R1 = 100 Ом. Определите индуктивность первичной обмотки трансформатора.
Ответы на тест по физике Производство, передача и использование электрической энергии 11 класс
Вариант 1
А1-4
А2-3
А3-2
А4-2
А5-3
В1. 21,5 В
В2. В 100 раз
С1. 1320 В
Вариант 2
А1-2
А2-4
А3-3
А4-4
А5-3
В1. 0,1 А
В2. 105 600 В
С1. 3,5 Гн
Генератор постоянного тока.
Давайте разберем принцип действия генератора постоянного тока, познакомимся с его конструктивными особенностями и принципом действия.
Генератор постоянного тока работает основываясь на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, который движется в магнитном поле и пересекает магнитный поток, индуцируется ЭДС.
Магнитопровод по которому замыкается магнитный поток является одной из основных частей генератора постоянного тока.
Магнитная цепь генератора постоянного тока (изображен на рисунке 1) состоит из неподвижной части — статора (1) и вращающейся части — ротора (4).
Статор представляет собой стальной корпус, к которому присоединены остальные детали машины, в том числе магнитные полюсы (2). На магнитные полюсы насажена обмотка возбуждения (3), которая питается постоянным током и создает основной магнитный поток Ф0.
Магнитная цепь генератора постоянного тока с четырьмя полюсами.
Листы, из которых собирается магнитная цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами
Ротор машины собирают из штампованных стальных листов с пазами по окружности и с отверстиями, предназначенными для вала и вентиляции. Рабочая обмотка генератора постоянного тока вставляется в пазы ротора (5 на изображении 1). Этой обмоткой индуцируется ЭДС основным магнитным потоком. Обмотку также называют обмоткой якоря, поэтому ротор генератора постоянного тока принято называть якорем.
Значение ЭДС генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается величиной постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока изображен на рисунке 3.
Магнитный поток создается полюсами постоянного магнита. Допустим, обмотка якоря состоит из одного витка, у которого концы присоединены к различным полукольцам, находящимся в изоляции друг от друга. Из этих полуколец формируется коллектор, совершающий вращения вместе с витком обмотки якоря. Одновременно с этим вдоль коллектора двигаются неподвижные щетки.
При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС: e = B*l*v
- где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.
При совпадении плоскости витка с плоскостью осевой линии полюсов (при этом виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток. В это время в них индуцируется максимальный показатель ЭДС. В том случае когда виток принимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.
В проводнике направление ЭДС определяется по правилу правой руки (на рисунке 3 оно показано в виде стрелок). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но поскольку коллектор вращается вместе с витком, а щетки неподвижны, то к верхней щетке всегда присоединен проводник, который находится под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках — е (рисунок 4).
Простейший генератор постоянного тока.
Изменение во времени ЭДС простейшего генератора постоянного тока.
Несмотря на то что ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна в направлении, по своему значению она изменяется. Поскольку за один оборот витка ЭДС принимает 2 раза значение равное нулю и 2 раза максимальное. Для большинства приемников постоянного тока ЭДС с такой большой пульсацией непригодна и, строго говоря, ее нельзя назвать постоянной.
Чтобы уменьшить пульсацию, обмотку якоря генератора постоянного тока делают из большого числа витков (катушек), а коллектор из большого числа коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга.
Для того чтобы рассмотреть подробнее процесс сглаживания пульсаций возьмем в качестве примера обмотку кольцевого якоря (рисунок 5). Она состоит из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь двигается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, которые расположены на внешней стороне якоря, индуцируется ЭДС (направление движения указано стрелками).
Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, которая состоит из последовательно соединенных витков. При этом обмотка якоря относительно щеток представляет собой две параллельные ветви. На рисунке 5а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая из катушки 4 (в катушках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рисунке 5б якорь изображен в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая из последовательно включенных катушек 3 и 4.
Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем.
При вращении якоря по отношению к щеткам каждая катушка имеет постоянную полярность.
На рисунке 6а показано как при вращении якоря изменяется ЭДС катушек во времени. ЭДС на щетках равна ЭДС каждой из параллельных ветвей обмотки якоря.
Из рисунка 5 видно, что ЭДС параллельной ветви равна или сумме ЭДС двух соседних катушек или ЭДС одной катушки:
Как результат этого, заметно уменьшаются пульсации ЭДС обмотки якоря (рисунок 6б). А значит увеличивая количество витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.
Изменение во времени ЭДС катушек и обмотки кольцевого якоря.
Тест 19. Генератор
1. ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА СОСТОИТ ИЗ:
4) катушки зажигания;
5) регулятора напряжения.
2. ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТРЕБУЕТ:
1) регулятор напряжения;
2) реле обратного тока;
3) ограничитель силы тока;
5) не имеет коллектора;
6) имеет диодный мост;
7) имеет контактные кольца;
не обладает самовозбуждением;
9) обладает самоограничением по току;
10) не обладает постоянством напряжения.
3. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ГЕНЕРАТОРА (РИС 19.1):
3) щеточный узел;
4) выпрямительное устройство;
Рис. 19.1. Генератор переменного тока
Выберите правильных ответы
4. РОТОР ГЕНЕРАТОРА СОДЕРЖИТ:
4) контактные кольца;
5) трехфазную обмотку;
6) обмотку возбуждения;
7) клювообразные полюсы;
пакет стальных пластин;
11) магнитное поле;
12) постоянную ЭДС;
13) переменную ЭДС.
5. СТАТОР ГЕНЕРАТОРА СОДЕРЖИТ:
6) контактные кольца;
7) трехфазную обмотку;
обмотку возбуждения;
9) клювообразные полюсы;
10) пакет стальных пластин.
11) магнитное поле;
12) постоянную ЭДС;
13) переменную ЭДС.
6. ЩЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ ВКЛЮЧАЕТ:
4) графитные щетки.
5) скользящий контакт;
6) питание обмоток статора;
7) питание обмотки возбуждения.
ЕГО ЩЕТКИ ИЗОЛИРОВАНЫ ОТ:
друг от друга;
9) контактных колец;
10) корпуса генератора.
7. ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧАЕТ:
3) диоды прямой проводимости;
4) диоды обратной проводимости;
5) дополнительное сопротивление.
6) щеточным узлом;
7) обмотками ротора;
обмотками статора;
9) корпусом генератора;
10) регулятором напряжения.
11) постоянную ЭДС в переменную;
12) переменную ЭДС в постоянную.
8. КОНТАКТНЫЕ КОЛЬЦА РОТОРА ВЫПОЛНЕНЫ ИЗ:
4) цинкового сплава;
5) металлизированного порошка.
обмотки ротора;
9) регулятора напряжения.
12) обмотками ротора;
13) обмотками статора;
14) выпрямительным устройством.
9. КЛЮВООБРАЗНЫЕ ПОЛЮСЫ РОТОРА:
1) создают магнитное поле;
2) формируют магнитное поле;
3) изолированы от вала ротора;
4) изолированы от обмотки ротора;
5) передают ток обмотки возбуждения.
10. ВЫПРЯМЛЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА ЗАВИСИТ ОТ:
1) частоты вращения ротора;
2) величины тока возбуждения;
3) числа витков обмотки ротора;
4) числа витков обмоток статора;
5) количества диодов выпрямителя.
ДОЛЖНО БЫТЬ В ПРЕДЕЛАХ:
ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ В НИХ:
10) регулятором напряжения;
11) аккумуляторной батареей;
12) выпрямительным устройством;
13) дополнительным реле обратного тока.
ЭТОТ ПРИБОР ВОЗДЕЙСТВУЕТ НА:
14) обмотку статора;
15) обмотку ротора.
11. ВИБРАЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ (РИС. 19.2, а):
1) изменяет ток в обмотке ОВ;
2) подключает резистор RД в обмотку ОВ;
3) отключает резистор RД от обмотки ОВ;
4) подключает обмотку ОР к обмотке ОВ;
5) отключает обмотку ОР от обмотки ОВ;
6) полностью обрывает ток в обмотке ОВ.
Рис. 19.2. Регулятор напряжения: а — вибрационный; б — бесконтактный
12. РАБОТА ВИБРАЦИОННОГО РЕГУЛЯТОРА ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ВЫШЕ НОРМЫ (РИС. 19.2, а):
1) рост тока в обмотке ОР;
2) притяжение якорька 2 к сердечнику 4;
3) подключение резистора RД к обмотке ОВ;
4) а увеличение магнитного поля сердечника 4;
5) рост напряжения на клемме «+» генератора;
6) падение напряжения на клемме «+» генератора.
Укажите номера всех правильных ответов
13. БЕСКОНТАКТНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ (РИС. 19.2, б)
1) изменяет ток в обмотке О В;
2) подключает резистор Rб в обмотку ОВ;
3) отключает резистор Rб от обмотки ОВ;
4) полностью обрывает ток в обмотке ОВ.
Установите правильную последовательность
14. РАБОТА БЕСКОНТАКТНОГО РЕГУЛЯТОРА ПРИ ПАДЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА НИЖЕ НОРМЫ (РИС. 19.2, б):
1) закрытие транзистора VT1;
2) открытие транзистора VT2;
3) закрытие стабилитрона VD1;
4) рост напряжения на клемме «+» генератора;
5) падение напряжения на клемме «+» генератора.
Укажите номера всех правильных ответов
15. ДИОД VDr (РИС. 19.2, б) СЛУЖИТ ДЛЯ:
1) защиты транзистора VT2;
2) повышения надежности регулятора;
3) генерации импульсов высокой частоты;
4) четкости переключения транзистора VT2;
5) гашения тока самоиндукции в обмотке ОВ.
16. ПРИЧИНЫ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НИЖЕ НОРМЫ:
1) износ щеток генератора;
2) обрыв цепи О В генератора;
3) короткое замыкание цепи ОВ на массу;
4) выход из строя регулятора напряжения;
5) ослабление натяжения ремня генератора;
6) низкая частота вращения коленчатого вала;
7) высокая частота вращения коленчатого вала;
рост сопротивления в цепи обмотки возбуждения
1) износ щеток генератора;
2) обрыв цепи ОВ генератора;
3) короткое замыкание цепи ОВ на массу;
4) выход из строя регулятора напряжения;
5) ослабление натяжения ремня генератора;
6) низкая частота вращения коленчатого вала;
7) высокая частота вращения коленчатого вала;
рост сопротивления в цепи обмотки возбуждения
Как работает электрический генератор
Функция любого электрического генератора — вырабатывать электрический ток. Но на самом деле генератор ничего не производит, а лишь преобразует один вид энергии — в другой (как это и свойственно всем энергетическим процессам в природе). Чаще всего, произнося словосочетание «электрический генератор», имеют ввиду машину, преобразующую механическую энергию — в электрическую.
Механическая энергия может быть получена от расширяющегося под давлением газа или пара, от падающей воды или даже вручную. В любом случае для получения от генератора электрической энергии, ему необходимо сначала передать эту энергию в приемлемой форме, чаще всего в механической.
— А откуда у вас электричество?
— Два гигантских хомяка крутят колёса в секретном бункере.
Остаться в живых (Lost)
Генераторы, работающие посредством механического привода, — доминирующий вид генераторов в современном мире. Такие генераторы работают на атомных и гидроэлектростанциях, в автомобилях, в дизельных и бензиновых генераторах, на ветряках, в ручных динамо-машинах и т. д. Пар, бензин, ветер — служат источниками механической энергии, вращающей ротор генератора.
Пример работы простого электрогенератора:
На роторе генератора закреплена обмотка намагничивания или постоянные магниты. В последние годы широкое распространение получают генераторы с неодимовыми магнитами на роторе, так как современные неодимовые магниты не уступают по своим характеристикам мощной обмотке намагничивания.
Принцип выработки электрической энергии в генераторе основан на явлении электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменяющийся в пространстве магнитный поток индуцирует вокруг этого пространства электрическое поле.
И если в область где присутствует это индуцированное электрическое поле поместить проводник, то в нем наведется (будет индуцирована) ЭДС — электродвижущая сила, и между концами проводника можно будет наблюдать (измерить, использовать для питания нагрузки) соответствующее напряжение.
Изменяющийся магнитный поток получается в генераторе при помощи движущихся вместе с ротором магнитов или полюсных наконечников, намагничиваемых специальными обмотками — обмотками намагничивания. Обмотки намагничивания обычно получают питание через щетки и контактные кольца.
Применение генератора для электрификации модели железной дороги:
Провода, в которых наводится ЭДС (электрическое напряжение) в генераторе, представляют собой обмотку статора, расположенную, как правило, в магнитопроводе, закрепленном на неподвижной части электрической машины. Эта обмотка у генераторов разного типа может быть выполнена различным образом.
В трехфазных генераторах переменного тока приняты обмотки статора, изготовленные по трехфазной схеме, — три части такой трехфазной обмотки могут быть соединены «звездой» или «треугольником».
Соединение звездой позволяет получить от генератора напряжение большей величины, чем при соединении треугольником. Разница в напряжениях составит корень из 3 раз (около 1,73). Чем больше напряжение — тем меньше максимальный ток, который можно получить от данного генератора на нагрузке.
Работа электрического генератора на электростанции:
Номинальная мощность генератора зависит от нескольких факторов, которые определяют его номинальные ток и напряжение. Напряжение на выходных клеммах генератора зависит от длины обмотки (провода) статора, от скорости вращения ротора и от индукции магнитного поля на его полюсах. Чем эти параметры больше — тем большее напряжение получается с генератора на холостом ходу и под нагрузкой.
Портативный генератор (мини-электростанция) для автономного электроснабжения:
Максимальный ток, который можно получить от генератора, теоретически ограничен его током короткого замыкания. Практически при номинальных оборотах он зависит от толщины провода обмотки статора и от общего магнитного потока ротора.
Если магнитного потока не достаточно, в некоторых случаях прибегают к увеличению оборотов. Но тогда генератор обязательно должен быть оснащен автоматическим регулятором напряжения, как это реализовано в автомобильных генераторах, которые способны выдавать приемлемый для зарядки аккумулятора ток в широком диапазоне оборотов.
Эдс вырабатываемая генератором зависит котором зависит от
Воропаев Е.Г.
Электротехника
Если в рассмотренных выше асинхронных машинах ротор имел частоту вращения, отличную от частоты вращения магнитного поля статора, то в синхронных эти частоты равны между собой.
Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями.
В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия.
Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.
Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов.
Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.
6.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки.
Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит.
Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более.
На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.
Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой
На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц.
Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе.
В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС.
Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, кото-рое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.
6.2. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:
где n — частота вращения ротора генератора,
Ф — магнитный поток,
c — постоянный коэффициент.
При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное на-пряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.
Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.
6.3. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
6.3.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора.
При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:
где f — частота тока питающей сети,
р — число пар полюсов на статоре.
Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращаю-щимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n2 = n1.
Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.
Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, кото-рые «сцеплены» с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора ( 
= 0).
Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол .
Однако «магнитное сцепление» ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n2 = n1). При больших значениях ротор может выйти из «сцепления» и двигатель остановится.
Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.
6.3.2. СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора.
В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.
Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным.
Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм.
Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.
Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой.
В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).
В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику по-стоянного тока.
6.4. РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели.
От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему.
Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).
Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А — X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В — У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора.
В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче.
Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 6.4.2).
6.5. ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель.
Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.
Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный.
Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет «следовать» за своей обмоткой управления.
Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует «самоход». Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональ-ным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.).
Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).
6.6. КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Безколлекторные асинхронные и синхронные двигатели при многих положительных качествах имеют существенные недостатки. Они не допускают достаточно плавного и экономичного регулирования вращения.
Этот пробел частично восполняют коллекторные двигатели переменного тока.
Коллекторные двигатели бывают однофазными и трехфазными.
Ротор однофазного коллекторного двигателя выполнен в виде цилиндра с фазными обмотками, статор — явнополюсный.
Так как обмотка полюсов статора, подключаемая к сети переменного тока, создает пульсирующее магнитное поле, то все элементы магнитной цепи машины набираются из отдельных листов электротехнической стали.
Вращающий момент в однофазном коллекторном двигателе создается взаимодействием токов в обмотке ротора с магнитным потоком полюсов. На рис. 6.6.1- показана схема подключения к сети коллекторного двигателя.
Коллекторные двигатели могут работать как от сети переменного тока, так и от сети постоянного тока. Это обстоятельство послужило для присвоения им наименования универсальных коллекторных двигателей. Коллекторные двигатели широко при-меняются для привода швейных машин, пылесоса и т.д.
